用于地铁制动能量吸收的超级电容储能装置研究--《南京航空航天大学》2014年硕士论文
用于地铁制动能量吸收的超级电容储能装置研究
【摘要】：储能系统应用于城市轨道交通直流电网上，可以回收再生制动能量，稳定电网电压。超级电容具有功率密度高、充放电速度快等优点十分适用于此种瞬时高功率的储能系统应用场合。当前已有的吸收再生制动能量的超级电容储能系统较多限于750V以下直流供电系统，对于1500V及以上电压等级的供电系统使用的储能系统的研究仍有重要研究意义和实用价值。本文主要研究用于1500V地铁电网电压等级的超级电容储能装置做出研究设计。储能系统设计主要包括以下部分：双向变换器的设计，变换器控制策略的设计，其他控制电路的设计和控制软件的设计。
首先结合用于地铁制动能量回收的储能系统设计要求，选择输入级联三通道交错并联Buck/Boost拓扑作为双向变换器的结构，并对此拓扑进行了工作原理的分析，在此基础上对变换器所使用的功率变换器元件参数的进行了设计。主要包括了功率开关，输入滤波器，输出滤波器和吸收电路的参数设计。
之后对储能系统的整体控制要求作出分析，主要包括能量管理控制的要求和输入模块均压的要求。结合相关文献分析，设计了相应的能量管理控制策略和模块输入电压均衡控制策略。使用Saber仿真软件对所设计的控制策略进行仿真，仿真结果说明所使用的能量管理控制策略的能够根据地铁电网情况和超级电容储能情况，完成电网和储能系统之间的能量双向流动；中点均压策略能够实现双向变换器双向运行时的输入模块的电压均衡。
在此前功率变换器元件参数计算的基础上，给出了超级电容储能装置原理样机各功率元件的选型和相应的损耗分析。并对储能系统的控制电路做出设计。完成了系统中各控制器控制软件的设计，给出了各个部分的程序流程图和原理框图。
在详细设计的基础上搭建了一台用于地铁制动能量回收的储能系统样机并进行了实验研究。主要包括1/5额定电压等级下的低压实验和1/2额定电压等级下的中压实验，分别给出了实验条件和实验结果。实验结果表明所设计的双向变换器运行稳定，控制策略能够满足整体的控制要求，控制软件能使储能系统正常的工作。
【关键词】：
【学位授予单位】：南京航空航天大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：U231.8【目录】：
摘要4-5ABSTRACT5-11注释表11-12第一章 绪论12-18 1.1 课题背景与意义12-13 1.2 基于超极电容的地铁制动能量回收装置研究现状13-15 1.3 储能系统结构分析15-17 1.4 本文的主要工作17-18第二章 双向变换器参数设计18-30 2.1 双向变换器运行参数18-19 2.2 双向变换器拓扑选择19-22 2.3 单通道双向 Buck/Boost 拓扑工作原理分析22-23 2.4 主要器件参数设计23-28
2.4.1 功率开关设计23-24
2.4.2 输出滤波器设计24-25
2.4.3 输入滤波器设计25-26
2.4.4 吸收电路设计26-28 2.5 器件应力汇总28-29 2.6 本章小结29-30第三章 储能系统控制策略研究30-40 3.1 整体控制要求30 3.2 能量管理策略30-36
3.2.1 能量管理策略要求31
3.2.2 能量管理策略设计31-34
3.2.3 能量管理策略仿真34-36 3.3 均压策略36-39
3.3.1 输入均压分析36-38
3.3.2 均压控制策略38
3.3.3 均压策略仿真38-39 3.4 本章小结39-40第四章 储能系统整体设计40-53 4.1 功率电路设计41-47
4.1.1 功率管的选择和损耗计算41-43
4.1.2 输出滤波电感的设计和损耗分析43-44
4.1.3 滤波电容设计和损耗计算44-46
4.1.4 双向变换器能量回馈效率估算46-47 4.2 控制电路设计47-49
4.2.1 采样电路设计47-48
4.2.2 驱动电路48-49 4.3 软件设计49-52
4.3.1 DSP 软件设计49-51
4.3.2 FPGA 软件设计51-52 4.4 本章小结52-53第五章 储能系统实验研究53-59 5.1 低压实验53-57
5.1.1 中点均压实验53-55
5.1.2 能量管理控制实验55-57 5.2 中压充放电实验57-58 5.3 本章小结58-59第六章 总结与展望59-60 6.1 工作总结59 6.2 工作展望59-60参考文献60-64致谢64-65在学期间的研究成果及发表的学术论文65
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超级电容储能装置
申请（专利）号：
申请日期：
公开(公告)日：
公开(公告)号：
主分类号：
H02J7/00,H,H02,H02J,H02J7
H02J7/00,H02J9/04,H02J9/00,H,H02,H02J,H02J7,H02J9,H02J7/00,H02J9/04,H02J9/00
申请（专利权）人：
大连尚能科技发展有限公司
发明（设计）人：
李小先,孔庆刚,王刚
主申请人地址：
116600 辽宁省大连市开发区双D五街10号1号楼大连尚能科技发展有限公司
专利代理机构：
大连智高专利事务所(特殊普通合伙) 21235
国别省市代码：
一种超级电容储能装置，其特征在于：包括多个串联的超级电容及与每个超级电容并联的单体超级电容保护电路；所述的单体超级电容保护电路，由均压电路及过压报警电路组成；所述的均压电路与过压报警电路并联；所述的均压电路用于稳定与其并联的超级电容两端的电压，使多个串联的超级电容两端的电压相一致；电阻R1的一端接电源正极，电阻R1、R2、R3串联，稳压二极管U1的一端与电阻R2、R3相连，R3的另一端接电源负极；稳压二极管U1的另一端与电阻R4、R5的一端相连，稳压二极管U1的另一端接电源负电压，电阻R4的另一端与电源正极相连，电阻R5的另一端与三极管D1的基极相连；三极管D1的发射极接电源正极，三极管D1的集电极与电阻R6、R7的一端相连，电阻R6的另一端接电源负极，电阻R7的另一端接三极管D2的基极，三极管D2的发射极接电源负极，三极管D2的集电极与电阻R8、R9的一端相连，电阻R8、R9的另一端与电源正极相连；所述的过压报警电路用于检测电压超限时报警，检测电压超限时，过压报警电路输出报警信号；电阻R10的一端接电源正极，电阻R10、R11、R12串联，稳压二极管U2的一端分别与电阻R12的一端及三极管D3的基极相连，稳压二极管U2的另一端接电源负极，电阻R12的另一端接电源负极，三极管D3的集电极接电源负极，三极管D3的发射极与光电耦合器连接。
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超级电容储能装置在城市轨道交通中的应用
来源：中国新能源网 &&
更新时间： 14:43:08
聂晶鑫，郭育华，夏猛
　　摘要：利用特性并结合城市轨道交通特点，设计一种用于城市轨道交通的装置，以维持在车辆 启动和再生制动时的电压稳定，减少隧道内因电阻发热而产生的温升。通过吸收再生制动能量，在列车启动时释放能量，使其循环利用，实现节约环保。
　　随着石化资源的日益减少，环境和能源危机越来越威胁到人类未来的生存发展，的重要性逐渐得到了全世界的关注。随着电力电子技术、电机调速和驱动控制技术的进步和发展，交流变频调速系统已经广泛应用于轨道交通领域。
　　变频调速系统可以实现将机械能转化为电能，即再生制动，使得一部分能量能够回馈给电网，从而节约能源。目前的电力牵引系统广泛使用该电制动方式，既回收了部分机械能，又减少了机械制动的损耗，减少了维护时间和费用。但是以目前的牵引网结构，如果同段线路上没有列车消耗再生电能，牵引网电压则会上升，可能影响供电系统安全运行，目前的解决办法是用电阻消耗多余电能，以维持电压稳定。在地铁隧道中该方式会造成隧道内温度升高，而且不能有效利用回收能量。因此，可以在地铁直流供电系统中加入环节，它在再生制动时吸收能量，避免浪费；在启动或加速时提供部分功率支持，减少牵引网电压波动[1，2]。
　　本文研究了的充放电特性和城市轨道交通的运行特点，选择作为介质，搭建轨道交通超级电容储能系统，分析双向直流变换器的工作过程，采用牵引直流侧电压作为能量控制策略依据，使超级电容储能系统对直流系统电压起到稳定作用。
　　1超级电容储能装置及策略
　　城市轨道车辆在再生制动时，牵引直流侧电压升高，在启动和加速时牵引直流侧电压降低，通过控制并接在直流侧的双向DC/DC变换器，对超级电容充电放电，可以实现削峰平谷、平衡直流侧电压和能量回收再利用的作用。主电路拓扑结构如图1所示。
　　2超级电容
　　超级电容的特点有：循环寿命长，充放电循环次数可达50万次以上；功率密度大，约是铅酸电池的20倍，短时间大功率充放电能力强；充放电速度快，效率高，充放电周期损耗小于10%[3]。而城市轨道交通的特点是区间运行时间短，启停频繁，短时间电压尖峰明显。所以超级电容的特性恰好（或正好）满足城市轨道交通储能的需求，比其他储能方式具有更好的性能匹配和更高的性价比。
　　4控制策略
　　控制主要目的是减小电压波动，同时还要限制充放电电流，避免过大电流损坏器件。另一方面要将电池储能量控制在一个合理状态，既能提供一定功率输出，也要留有一定的吸收能量空间。如果再生能量过多而无法完全吸收，还要投入耗能电阻辅助消耗电能。
　　直流母线侧电流I的变化能引起直流母线侧电压V的变化，通过测量直流侧电容电压可以间接获得负载功率的变化，因此将直流侧电压作为充放电控制策略的判断依据。设定当直流侧电压小于V1 时，牵引功率为正，列车正在启动或加速，需要能量支持，超级电容器释放能量，以保证直流母线电压稳定。当直流侧电压大于V4时，牵引功率为负，有制动能量产生，此时储能系统从直流侧吸收能量，以保证直流母线电压稳定。见图5所示。
　　5结束语
　　本文介绍了超级电容储能装置用于城市轨道交通系统中，可以使再生能量循环利用，并且保持直流电压稳定。详细说明了储能装置的工作原理，以及控制策略。
　　随着超级电容产品的日益成熟，生产成本随之下降，超级电容储能装置装备在城市轨道系统中的性价比也开始凸现。加之对节能环保要求的提高，这一装置会很快应用于城市轨道交通领域。
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应用于城轨交通供电系统的超级电容储能装置稳定性研究
超级电容储能装置应用于城轨交通供电系统具有节能稳压效果，并且其对供电系统的运行稳定性也会产生重要影响。本文基于小信号分析法分析了超级电容储能装置单个子系统的运行稳定性，并提出电流反馈补偿虚拟并联电阻的方法，降低超级电容储能装置的闭环输出阻抗，改善应用于城轨交通供电系统的超级电容储能装置运行稳定性。仿真和实验结果验证了本文提出的电流反馈补偿方法的有效性。
Abstract：
The application of super-capacitor energy storage device in urban rail power supply system can save energy and improve voltage profile,and will make a real difference to the operation stability of urban rail power supply system.Firstly,this paper analyzed the operation stability of single super-capacitor energy storage de-vice through small signal analysis.Then,a practical method by using electric current feedback compensation to emulate virtual shunt resistor was put forward to reduce the closed-loop output impedance of the super-capaci-tor energy storage device and improve the operation stability of the device.Simulation and experimental results validated the effectiveness of the proposed current feedback compensation method.
CHEN Huaixin
YANG Zhongping
作者单位：
北京交通大学 电气工程学院,北京,100044
ISTICEIPKU
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超级电容器储能装置对改善发电机运行稳定性的研究
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